FSH(M)農用風力提水機的水泵設計與特性分析

諾銳亭，袁麗偉 ，朱麗娜 ，馮帥，梁志鵬，胡建棟

(1.蘇丹科技大學，喀土穆 13314；2.錫林郭勒職業學院，內蒙古 錫林浩特 026000；3.內蒙古工業大學，呼和浩特 010051)

0 引言

風力提水是人類利用風能的最古老也是最重要的方式之一，通過機械能量傳動裝置帶動水泵，也可以通過轉換成電能帶動電泵實現提水作業。水泵是風力提水機組的重要組成部分，也是機組研發方面投入較大的項目。在干旱的草原，水泵的作用就是在動力的作用下由低處向高處送水，形成水位差(壓差)達到要求的流量，解決人畜飲水問題。與風力提水機配套的水泵，從結構上可分為葉輪旋轉式水泵、活塞往復式水泵、空氣壓縮式水泵及膜片式水泵等。根據動力源不同，可分為機械泵和電動潛水泵兩大類。風力提水機按使用的技術指標，可分為低揚程大流量型、中揚程大流量型和高揚程小流量型3種類型。離網、干旱、偏遠地區的生產、生活用水，一般使用機械式風力提水機組。其中，風力機技術已經日趨成熟，而與之配套的水泵能否滿足水井條件和用戶需求，成為影響機組整體效益發揮的關鍵因素[1-2]。

1 兩種離網匹配水泵

1.1 離網水井與活塞水泵

在牧區，水井的主要類型有鋼管井、鑄鐵管井、塑料管井、水泥管井及大口井(也叫筒井、土井，一般用石塊壘砌成圓形)，水井涌水量、水質、水位和井深等情況十分復雜。早期的風力提水機配套使用的水泵均為拉桿活塞泵，作為生產、生活用的每一款風力提水機組(包括風力機和水泵)，其自身使用條件是有嚴格界定的。一定揚程、流量的提水機只能在井深和涌水量滿足要求時才能正常工作。例如：當井深超過機組標定的揚程，不但增加了機組負荷，而且還會降低機組工作效率甚至提不上水；當井的涌水量小于機組最小提水量標準時，活塞式水泵空轉而失去水的潤滑，加速磨損，破壞了密封性，使容積效率下降；若水質不好，還會造成井管、拉桿、閥門及泵體等零部件腐蝕，降低使用壽命。據往年現場觀測，安裝在當地的一臺風力提水機，配套水泵為雙作用提水泵，提水揚程為10m，設計流量20t/h。試驗時，在額定風速下僅20min就把井水抽干，無人值守可能造成的后果是：風輪在空負荷下運轉速度比正常運轉加快，水泵內無水干磨，機器會發生故障，影響使用效果，也降低了機組應有的使用壽命，嚴重時能使整機損毀。將這種活塞泵的徑向尺寸變小，成為“細長型”泵體，可廣泛適用于牧區眾多的鋼管井、鑄鐵管井及塑料管井。

1.2 離網水井與膜片水泵

另一種配套水泵是新研發的適合離網牧區風力提水機的拉桿囊式膜片泵，囊體采用新型復合橡膠材料，規避了水泵機械運動部件的磨損、滲漏及銹蝕等問題。根據不同應用場景，既可以做成“細長型”泵體，也可以做成“短粗型”泵體。載荷是導致失效直接原因，也是影響產品可靠性的重要因素。一般情況下，一個風力發電廠中安裝在不同位置的發電裝備的服役載荷歷程會有明顯的差別[3]。同樣，風力提水裝備在干旱地區服役過程中經歷的載荷時間歷程及其不確定性有明顯的特點。對于這種水泵，需從使用地域和時間兩個方面描述載荷歷程的特性， 并以此為基礎 研究其零部件，特別是膜片疲勞可靠性分析與建模方法。因此，對于與風力提水機配套的水泵，必須充分考慮匹配條件，如當地的水文水質情況、用水需求量、井深(提水高度)及涌水量大小等[4]。

2 拉桿活塞泵的設計

目前，排灌用箱涵式泵裝置的應用較多，歷史較長，業界對這方面的研究也越來越廣泛。借鑒雙向流道泵的優化設計與試驗經驗，在設計工況下，大流量運行效率可達70%以上，試驗運行與數值模擬結果吻合較好。本項目涉及的泵型為適應干旱草原的活塞拉桿泵。

2.1 結構組成

FSH—2.0～4.0型風力提水機組出廠時均配有拉桿活塞泵。拉桿活塞泵主要由濾網、泵缸、上泵體、閥座、上下閥、閥門罩、活塞、泵管及拉桿等件構成，如圖1所示。

工作過程：當曲柄帶動拉桿上下往復運動時，活塞上行，泵缸內下面形成真空狀態，水在大氣壓力作用下打開下閥，進入泵缸內；當活塞下行到下死點時，由于下閥自重和水的壓力作用而關閉。與此同時，活塞上閥被推開，拉桿推動活塞下行，水充滿活塞上部空腔，當活塞再向上行，就把水排出泵外。如此往復動作，不斷把水提入泵管，輸入儲水池內，完成一次提水過程。

2.2 拉桿活塞水泵特性的測定

以FSH—3.5型風力提水機為例，風輪直徑3.5m，設計的額定風速為7m/s時，配套的水泵為90mm的活塞拉桿泵，起動風速為3m/s時即可少量提水。實驗室測定的結果進一步驗證了拉桿活塞泵的V-Q特性。實驗表明：對于不同直徑的活塞泵(95/110mm)，在設定的提水高度，當模擬風機從起動到額定轉速時，提水量呈線性增加。另外，風輪轉速取決于風速的瞬時變化。當風輪轉數120r/min時，提水量可達到2.8t/h。Φ90水泵V-Q特性曲線如圖2所示。因風力機調速和限速作用，超過額定風速時，風機開始調速，提水量并非呈線性增長，有利于水井涌水的積累，可避免負荷減少或無水潤滑而造成機械損傷等故障。

2.3 密封磨損試驗

應用于礦山、冶金、煤炭、水泥、陶瓷、電廠、石油、化工、鑄造、港口河道疏浚及污水處理等作業中的離心渣漿泵，用來輸送液體中含有各種形狀固體物的磨蝕性渣漿，泵的壽命和可靠性應當是比泵的原始投資價格和效率更為重要的考慮因素[5]。參照渣漿泵的磨損分析與選材，為了降低成本，活塞泵在最初設計時采用普通鑄件。隨著使用時間的推移，一般運行7 200h以后就發生密封不嚴的問題。經多年的試驗發現：水泵的密封性能下降主要是工作介質變化和表面光潔度造成的，而造成這種現象的主要原因是銹蝕。這是因為每一個水源井的水質不一，酸堿度差別很大，在一些井水pH值較高的井位上安裝的水泵，其中的緊固螺栓由于螺栓頭銹蝕變圓而無法拆除。為了抗銹蝕，推廣的水泵在選材上使用不銹鋼、有色金屬或非金屬材料，提高了水泵的抗腐蝕能力，可無故障運行2年。實驗室高強度連續運行1 440h后，觀察水泵提水效率降低0.8%。主要是因為密封圈的磨損，需要更換密封圈，做好定期維護保養是關鍵。

2.4 水泵的匹配性

目前，國內外為風力提水機配套的水泵基本都是拉桿活塞泵，它適應于水源穩定、水位變化不大、水質較好、特別是沒有顆粒物質的水井條件?，F有泵徑系列為80/90/100/110mm，適用于口徑200mm以下的鑄鐵管井和塑料管井?；钊迷谧匀画h境下運行，密封和磨損問題一直沒有很好解決，相對于風力機15年的設計壽命，水泵磨損的短板影響了風力提水機組的推廣應用。過去，專門為風力提水機研制了一種上下對接式膜片泵，解決了適應牧區筒井水源條件和拉桿活塞存在的密封、磨損問題；但是膜片材料不過關、氣吸空間小，影響提水量和使用壽命，膜片疲勞性破損又增加維護保養工作量。

3 囊式膜片拉桿泵的設計

囊式膜片又稱空氣彈簧、波紋氣胎、橡膠氣囊等，廣泛應用需要行程控制和隔震、減震的設施和部位。為改善車輛行駛的平順性，研究設計了帶有連接管路的帶附加氣室空氣彈簧特性試驗系統，提出了帶附加氣室空氣彈簧系統靜態特性和動態特性的試驗方案[6]，給本設計提供了啟發。本設計的泵徑限定在300mm，以便適用于大多是水泥管井和塑料管井，依據行程，確定曲囊為3個。這種塔型囊式膜片可偏轉、可曲撓、可實現力的柔性傳遞，是泵體結構的核心部件，采用橡膠夾線制造，現有兩種型號。其關鍵參數如表1所示。

表1 囊式膜片拉桿泵及囊體關鍵參數Table 1 The key parameters of the capsule type rod pump

3.1 結構設計與組裝

囊式膜片拉桿泵，包括囊式塔形膜片、上下托盤、拉桿、出水管接頭、限位盤、上下閥門；囊式膜片的上、下兩端分別用上托盤與上壓環、下托盤與下壓環固定，通過上下托盤、上下閥門和上下閥門座分別固定在上下閥門罩上。上閥門罩外面裝有出水管接頭，拉桿通過上閥門罩、上閥門與下閥門罩連接。安裝時將拉桿套上限位塊，擰入下閥門罩內，并用限位塊鎖緊，支撐桿下端固接限位盤，中間設有兩個支撐環，上端設有限位環，支撐桿上端固接上托盤，在拉桿的上端安裝鎖母和長螺母。囊式膜片在拉桿的作用下引起囊內空間變化進行泵水作業[7]，如圖3所示。

1.限位盤 2.下托盤螺栓 3.下壓環 4.下托盤 5.下閥門座 6.下閥門 7.下閥門罩 8.上限位塊 9.支撐環 10.支撐桿 11.限位環 12.支撐桿螺母 13.上壓環 14.上托盤 15.上托盤螺栓 16.長螺母 17.安裝鎖母 18.拉桿 19.出水管接頭 20.上閥門罩 21.上閥門 22.上閥門座 23.上閥罩螺栓 24.囊式膜片 25.下閥罩螺栓

3.2 泵體的組裝

囊式塔形膜片用下閥門罩螺栓，通過下托盤，裝好下閥門座和下閥門，固定在下閥門罩上，將拉桿套上限位塊，擰入下閥門罩內，并用限位塊鎖緊；套上塔形囊式膜片后，用下托盤螺栓，通過下托盤，夾上塔形囊式膜片，固定在下壓環上；用上閥門罩螺栓，通過上托盤，裝好上閥門座和上閥門，將其固定在上閥門罩上；用上托盤螺栓，通過出水管接頭、上托盤和囊式膜片固定在上壓環上；將支撐桿下端焊接在限位盤上；再在支撐桿的中間焊接兩個支撐環，上端焊接限位環，將支撐桿上端裝入上托盤的邊孔內，用支撐桿螺母固定。

3.3 與風力機的裝配

1)確定行程。將囊式塔形膜片與剛性部件安裝在一起成為泵體，用力向下推拉桿，當再無法推動時，說明下托盤已經碰到限位盤，這時要在拉桿上做標記，再向上用力提拉桿；當無法上提時，證明限位塊已經到上死點，在拉桿上同樣做標記。這兩個記號的距離，是該泵的最大行程。參照離網牧區活塞泵的安裝方式，如果選擇風力機作動力與其配套，風力機拉桿使用行程要小于囊式膜片拉桿泵制造行程30～50mm[8]。

2)井位安裝。把風力機立在井位上，將其控制在剎車狀態，再把風力機拉桿轉到下死點位置，固定住風輪防止轉動。根據使用要求和水位深度，計算出囊式膜片拉桿泵放入井內時，該泵在水面以下500～600mm距離。出水管在井上面的出水口，要高于水罐進水口300mm距離。按此要求確定出水管和風力提水機長拉桿長度。把囊式膜片拉桿泵上的長螺母，安裝在風力提水機配套的長拉桿上，并用該拉桿上的鎖母鎖緊，把長拉桿插入出水管內，將其固定在出水管接頭上，組合完畢將其放入井內，再把長拉桿與風力機頂端拉桿連接在一起[3]。

由于囊式膜片拉桿泵的自重影響，該泵內的限位塊，已接近上死點，為了防止碰撞，將出水管向上提升，提升的高度為泵的1個往復行程加15mm，并將其固定在塔架上。

3.4 工作過程

囊式膜片拉桿泵在安裝時放入井內過程中，當水位高于下閥門時，井水會沖開下閥門進入泵內；囊式膜片拉桿泵繼續下放時，井水又會沖開上閥門，把泵充滿，在重力的作用下，上、下閥門回復關閉狀態。當拉桿在風力提水機長拉桿作用下上行時，囊式膜片拉桿泵內的下閥門關閉，泵內的水會沖開上閥門，進入出水管；當拉桿下行時，上閥門關閉，井水又會沖開下閥門進入泵內。這樣不斷往復運動，使囊式膜片拉桿泵連續工作。

3.5 性能優勢

在實際應用中，將一個典型風力提水機用戶的拉桿活塞泵，替換為囊式膜片泵。截至目前，已經安全無故障運行4年，經受住了一定的耐久性考驗，特別是在濕地恢復試驗中經受住高寒地區冬季運行的考驗[9]。目前，在完成新能源水泵試驗中心建設項目后，利用建筑物高度，每5m設置一個試驗點，共有8個試驗觀測站。試運行后，需對膜片泵各個觀測站的運行特性進行取值分析。擬利用軸對稱橡膠氣囊的幾何簡化模型，使用網格理論、薄膜理論和層合板理論，分析膜片的內力、應力、應變、簾線力和變形等。若得到預期的結果，還需足夠長的時間，采用CFD技術對大量數據進行積累和模擬分析。結合實際應用和實驗室檢測，其優勢在于：①囊式膜片在拉桿的作用下，引起囊內空間變化進行泵水作業，除閥門和閥門座始終處于間斷接觸性開合狀態外，沒有摩擦件，密封性好，性能可靠，使用壽命長；②揚程和風輪轉速對囊式膜片泵效率的影響不大；③可以輸送糊狀液體，對液體中含有顆粒比重大的混合物有很好的適應性；④可以用作計量泵在化工、食品、制藥等行業使用，計量精度高，壓力穩定；⑤相當于機械式空氣壓縮機，可以用于淺水河道的大流量提水或者魚塘增氧作業。

4 結論

水泵一般都安裝在數米甚至數十米的井下，拆裝工作量很大，因此井下水泵易保養、免維護、適應性強是設計者的目標追求。拉桿活塞泵和囊式膜片泵的性能優劣，取決于工藝結構設計和材料的選擇。離網、干旱、偏遠地區的應用，要結合當地風資源、水文水質、水井種類、涌水量及提水揚程等綜合因素來確定使用何種泵型?；钊迷谥睆?20mm以下的塑料管井和鑄鐵管井中，水源穩定、水位變化不大及水質較好時具有優勢。囊式膜片泵因塔形結構而增大了泵水空間，采用夾簾線橡膠代替運動部件而規避了摩擦損傷導致的密封不嚴故障，提高了容積效率，增強了抗腐蝕能力，擴大了適用范圍。

為了進一步優化和擴展風力提水機配套水泵試驗設備的設計，擴大電動離心泵、潛水泵等的測試范圍，提供高質量和權威性的社會服務工作，還需在生產實踐中認真總結經驗，改進新能源水泵試驗中心的設計，提高自動化程度，使之具備自動執行測試過程和“一鍵式”報表生成功能，并利用CFD技術在水泵與流體的瞬態測試、穩態測試和氣蝕氣縛性能測試等功能實現方面取得進展。